微细电火花加工研究现状与存在的问题.docx
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微细电火花加工研究现状与存在的问题
微细电火花加工
研究现状与存在的问题
院（系）：
机械工程学院
班级：
学生：
学号：
任课教师：
2012年1月2日
1引言1
2电火花加工的研究现状1
2.1微细电火花加工的原理1
2.2金属蚀除驱动力的来源解释1
2.3微细电火花加工设备的最新进展1
3存在的问题1
3.1电火花加工机理1
3.2微细电极的制备1
3.3电极损耗对加工精度的影响1
3.4加工路径规划问题1
4下一步研究容1
4.1LIGA大批量制备复杂电极技术1
4.2低电压放电加工技术1
4.3气中放电沉积与去除可逆加工技术1
4.4电极损耗补偿策略1
5我的建议1
参考文献1
1引言
由于现代科学技术的迅猛发展，在机械工业、电子工业、航空航天工业，尤其是国防工业部门，要求制造技术更加精密化、自动化、系统化、集成化、以及加工方式多样化方面发展，并且要求尖端科学技术产品向高精度、高速度、高温、高压、重载荷、抗腐蚀、大功率、小型化方向发展[1,2]。
为了适应这些要求，各种新结构、新材料和复杂形状的精密零件大量出现，结构和形状越来越复杂，对精度要求越来越高，对加表面粗糙度和完整性要求越来越严格，这使得传统的加工方法难以满足上述要求，机械制造面临着一系列严峻的任务[3]。
1943年，前联拉扎林柯夫妇在研究开关触点遭电火花放电腐蚀的过程中发明了电火花加工方法，第一次摆脱了用传统切削加工去除材料的方式，开创了用其它形式能量来加工的新方法。
电火花加工具有以下一些优点[4]：
（1）可用于传统机械加工方法难以加工的材料加工。
因为材料的去除是靠放电时电热作用实现的，材料的加工性主要取决于材料的热学性质，如熔点、比热容、热导率等，几乎与其硬度、韧性等力学性能无关。
工具电极材料不需比工件硬，所以电极制造相对容易。
（2）可加工特殊、复杂形状的零件。
由于电极与工件之间没有切削力，因此适宜于低刚度工件和细微加工。
又因脉冲放电时间短，材料加工表面受热影响围比较小，所以可用于热敏性材料的加工。
另外，由于加火花加工可以简单地将工具电极的形状复制到工件上，所以特别适用于薄壁、低刚性、微细、弹性及复杂形状表面的加工，如复杂的型腔模具的加工等。
（3）更容易实现加工过程自动化。
加工过程中的电参数较机械参数易于实现数字控制、自适应控制、智能化控制，能方便地控制粗、半精、精加工各工序，简化工艺过程，减少人工干涉。
（4）可以改变零件的工艺路线。
由于电火花加工几乎不受材料硬度影响，所以可以在淬火后进行加工，这样可以避免淬火过程中产生的变形。
由于电火花加工具有这些传统切削加工所无法比拟的优点，因此其应用围日益扩大，目前已广泛用于各类工业中。
近些年，随着微机械、微机电系统迅速发展并进入实用阶段，更加先进的微细电火花加工技术在航空航天、医药卫生、国防、环境工程以及民生方面发挥着越来越重要的作用，并具有非常广阔的前景。
微细电火花加工（Micro-EDM）是指用棒状电极或用线电极电火花加工微孔、窄槽、窄缝等各种复杂形状的加工技术，它是微制造领域的一项重要技术[5]。
微细电火花加工与其它几种典型微细加工技术的比较如下表所示[6]。
表1几种典型的微细加工技术的比较
微细加工方法
最小
尺寸
精度
深径
（高宽）比
多维加工能力
表面
粗糙度
加工材料
LIGA
★★★★
★★★★
★★★★
★★
★★★
金属、聚合物、瓷
刻蚀
★★
★★★
★
★
★★★
金属、半导体
微细激光加工
★
★
★★
★★★
★
金属、聚合物、瓷
微细铣削
★
★★★
★★
★★★
★★★
金属、聚合物
金刚石切削
★★★
★★★
★★★
—
★★★★
非铁系金属、聚合物
微细立体印刷
★
★
★★★★
★★★★
★
聚合物
微细电火花加工
★★★
★★★
★★★★
★★★★
★★★
金属、半导体
2电火花加工的研究现状
2.1微细电火花加工的原理
精细电火花加工原理普通电火花加工大致相同，它们都是基于电火花腐蚀原理，是在工具电极与工件相互靠近时，极间形成脉冲性火花放电，在电火花通道中产生瞬时高温，使金属局部熔化，甚至气化，从而将实现金属的蚀除。
BerndMSchumacherd在电火花加工诞生60年时发表最新成果，他将电火花放电过程分为三个阶段（如图1）：
放电的准备阶段，放电阶段和脉冲放电间隙阶段[7]。
图（a-c）为第一阶段，工具电极与工件电极缓慢靠近，极间的电场强度增大，由于两电极的微观表面是凹凸不平的，在两极间距离最近的位置电场强度最大。
工具电极与工件电极之间充满着电介质，电介质中不可避免地含有杂质及自由电子，它们在强大的电场作用下，形成了带负电的粒子和带正电的粒子，电场强度越大，带电粒子就越多，最终导致液体介质电离、击穿，并形成由大量高速运动的带正电和带负电的粒子以及中性粒子组成的等离子体放电通道。
图（d-f）为第二阶段，在极间电场作用下，通道中的正离子与电子向阴极和阳极高速运动并发生剧烈碰撞，从而在放电通道正负两极表面分别形成瞬时热源（可以达到5000℃以上），金属材料熔化，甚至沸腾气化。
同时，由于放电时电流产生磁场，磁场又反过来对电流产生向心的磁压缩效应和周围介质惯性动力压缩效应，通道扩展受到很大阻力，此时狭小的放电通道由高温热膨胀形成的初始压力可达数十甚至上百个千帕，高压高温的放电通道以及随后瞬时气化形成的气体急速扩展、产生一个强烈的冲击波向四周传播，依靠此热膨胀和局部微爆炸，使熔化气化的电极材料被抛出。
在放电的同时还伴随着光效应和声效应。
图（g-i）为第三阶段，放电脉冲结束后，等离子通道消电离，电蚀产物排出放电区域，而气泡还会存在相当长一段时间。
图1放电的三个阶段
2.2金属蚀除驱动力的来源解释
在电极表面熔融放电痕（moltenpuddle）直径仅几十微米，在没有附加的驱动力作用下，起主导作用的毛细力能阻止任何金属抛出去除。
迄今最被接受的理论认为，金属的去除和抛出是由于放电脉冲的突然中止，这使得在脉冲结束金属的猝然过热。
在对真实放电间隙精确测量中并没有发现这类有高动量的反冲力。
Y.F.Luo和JiaTao认为，金属抛出蚀除在整个脉冲放电过程都有发生，而不是只在脉冲结束的时刻。
转移二次放电（ShiftingSecondaryDischarge，SSD）很可能就是金属抛出蚀除的驱动力[8]。
转移二次放电（SSD）又被称为暂时性点放电，它们能在主阴极根迅速转移到一个新的放电位置。
暂时性点放电能在首次放电结束时快速熄灭冷却。
图2展示的是在二次放电中金属的抛出去除和熔滴的形成过程。
当空间中的阳离子势能被加强的点放电耗尽时，当前的二次放电就平息了。
然而，从发射点来的高能电子电离了更多的分子，同时电离出的阳离子向阴极根方向迁移。
于是，阴极根表面上的正离子再一次的堆积，当地电场强度得到提升。
接下来的那一次二次放电最可能发生在另外一个电场强度最高的地方。
二次放电循环就这样不断进行下去，直到首次放电脉冲结束。
在有新的证据被发现前，多于一次放电的共存二次放电（coexistingsecondarydischarges）不包括在上述讨论中。
为了实现更高的点温度，更少和更小的二级放电有利于电子发射的效率和消耗更少的能量。
当间隙大于普通EDM间隙时，带状放电（streamerdischarges）可能产生。
带状放电使离子被分割成枝状，并产生点放电。
然而，点的位置在当地阳离子耗尽后必须转移。
SSD使材料从主阴极根上去除，并抛出到极间间隙中去。
图2二次放电和金属抛出蚀除
2.3微细电火花加工设备的最新进展
由于微细电火花加工在现代加工技术，尤其是微机械制造技术中的重要地位，各工业发达国家都加大了在这方面的投入。
近些年，国外许多著名电加工生产商都推出了商用微细电火花加工设备，另外一些科研机构也展开了研制工作，并取得重要成果。
图3松下精机MG-ED82W
日本松下精机生产的MG-ED82W是目前商业销售中精度最高的微细电火花机床（如图3），主轴的进给由伺服电动机通过减速齿轮副、螺母—丝杠、杠杆推动主轴组成，主轴的进给和回退步距为0.1μm[9,10]。
其电火花脉冲电源最小脉冲能量可达10-7J。
它能稳定地加工出Ø5μm的微小孔，表面粗糙度达Ra0.1μm。
其它最新研究进展有：
线电极电火花磨削技术与微细加工，面向MEMS的微细电火花加工技术等等。
国开展微细电火花加工研究方面最早是在上世纪九十年代的航空航天大学，随后清华大学、工业大学、理工大学、大学等高校在这一领域也取得了许多成果。
3存在的问题
电火花加工技术迄今已有60多年的发展历史，但随着研究的深入和运用领域的扩展，仍然有许多问题没有解决。
3.1电火花加工机理
电火花加工机理的研究瓶颈除了因为放电过程本身的复杂性、随机性以外，还由于对放电通道中带电粒子的运动特性、电磁特性以及振荡性认识不够。
多年来，许多学者在间隙放电通道的研究方面作了大量的工作，提出了许多假说，但是并没有形成量化的系统的研究体系。
AntoineDescoeudres、Hockenberry认为在一次脉冲放电期间，放电的全过程都处于一种不稳定状态。
Y.F.Luo和JiaTao（2.2节）认为是等离子体阴极根处发生着转移二次放电。
中科院电工研究所于学文等人认为放电通道是一个高频振荡的微细等离子体，放电柱粗细与放电瞬时能量有关。
3.2微细电极的制备
微细电极的制作是微细电火花加工的关键技术。
离线制作的微细电极经过二次装夹，其定位精度难以满足微细加工的要求。
日本的毛利尚武教授和武沢英树发现了使用单脉冲放电形成针状电极的现象。
单脉冲放电能够在瞬间把直径100μm的钨电极加工成直径20~40μm的针状电极。
用单脉冲放电的方法制作微细电极，虽然能够大大减少加工时间、提高加工效率，但是电极形状的重复精度较差。
通过自钻孔制备微细电极方法，这种方法的优点是加工方法简单，电极加工前不需要调整电极的位置，具有很高的加工效率、尺寸精度和形状重复精度，具有很好的应用前景。
图4不同形状的微细电极
3.3电极损耗对加工精度的影响
为了减小电极损耗对加工精度的影响，在达到在满足加工精度的条件下，可以忽略电极的损耗。
各国学者从选用损耗相对较小的电极材料、对放电波形进行调整与控制、选用适当的放电参数以及合理地选用工作液及其供给方式等原理上入手，降低电极的损耗。
但由于电极有效放电面积与工件截面积小的多，电极损耗对精度的影响也大的多。
在损耗比相同的情况下，加工同等深度的型腔，电火花铣削加工时电极损耗的长度比采用传统的电火花成形加工大得多。
电极损耗对加工造成的影响也大的多。
也可以说，在微细电火花铣削加工中加工面积Sw与电极横截面积的Se的比值，对电极的损耗放大了。
它加大了电极损耗对加工精度的影响。
因此，研究如何减小电极损耗是十分必要的。
3.4加工路径规划问题
微细电火花分层铣削加工技术和等损耗理论的出现，奠定了微细电火花方法加工微细三维结构的基础借鉴数控铣削的方法，使用微细棒状电极对微细三维结构进行分层铣削加工，并根据等损耗理论，通过加工路径的合理规划，可使得电极端部处于等损耗状态，因此加工中电极损耗的补偿策略将变得极为简单，使得微三维轮廓的精密电火花加工成为可能。
但如何针对电极损耗（尤其侧角损耗）生成最优的轨迹，以及加工过程的在线检测仍是个问题。
图5Mu-TianYan和Shr-ShiangLin采用multi-cut工艺规划方法加工的3D微结构[11]
a为金字塔形腔，b为六边形金字塔腔、c为直角金字塔形腔，d为圆锥腔
4下一步研究容
根据存在的问题和最新的研究成果，仍然有大量可以研究的容，以下列出部分容。
4.1LIGA大批量制备复杂电极技术
单脉冲放电制备针状电极、自钻孔制备微细电极方法都不能大批大量生产，但采用LIGA技术大批量制备复杂电极。
日本学者Takahata等人将微细电火花加工技术同LIGA技术结合起来，使微细电火花加工批量生产成为可能。
（a）LIGA制作的电极阵列（b）微细电火花加工的孔阵列
图6微细电火花批量加工的阵列孔
4.2低电压放电加工技术
日本学者KaiEgashira与KatsumiMizutani最先利用低电源电压技术进行了放电加工的试验，电源电压在5V以上时，用直径15μm或7μm的钨金属电极，分别加工出直径Ø20μm和Ø8.5μm的微细孔；同时验证了电源电压为2V也可进行放电加工的事实；并采用20V的电源电压，加工出直径Ø1μm的微细轴。
但低电压目前仅停留在实验阶段，尚未实现商业应用。
4.3气中放电沉积与去除可逆加工技术
名古屋工业大学的早川伸哉等人研制了一种利用电火花加工来制作微型结构的新沉积方法，他们用线电极电火花磨削的方法制作微细电极，用钢或铝合金做工件，在空气或氮气中进行电火花加工。
通过对工件和工具电极的瞬时温度分析预测了放电沉积条件，并且通过试验，在工件表面上沉积形成了直径Ø0.1mm、高2.2mm的微小柱体，而且沉积材料致密坚硬。
这种方法突破了电火花加工仅用于去除加工的局限，拥有广阔的发展前景。
4.4电极损耗补偿策略
虽然电极的损耗非常复杂，它受许多因素影响，与加工极性、加工时间、工作介质的种类、冲油方式、电极及工件材料、电极形状、电源类型以及电源的各项参数等都有密切关系。
但是在加工过程中，电极的损耗却有很强的规律性，通过获得电极损耗状态并进行在线补偿的方法是可以实现的。
在此方面的研究中，影响较大的是理工大学的余祖元教授提出的均匀损耗法[12]。
该方法用简单形状的电极进行逐层扫描去除加工，在每一层的加工中，通过对电极路径的规划，在电极加工完一层后，电极可以恢复原来的形状，从而简化了电极的损耗补偿策略。
该方法通过获得准确的电极损耗比，可准确的计算电极的损耗补偿值，获得了较高的加工精度。
该方法是目前应用较为广泛的方法，但仍具有改进的空间。
5我的建议
1、在微细电火花加工装置方面，一些发达的工业国家已经进入工业应用和商业销售阶段，但其价格昂贵且对我国禁运。
因此，研制高效、实用的微细电火花加工设备不仅具有重要的现实意义，还具有极其深远的战略意义。
因此应该加大在这方面的科研投入。
2、在微细电火花加工的特点及对加工装备的要求基础上，对微细电火花加工系统进行总体方案设计、各关键零部件的设计、制造和装配；在该系统上能实现微细轴、微细孔和微三维结构的微细电火花加工。
3、对基于直线电机的微细电火花加工伺服控制系统进行研究，提出基于直线电机的微细电火花加工伺服控制策略。
4、开发微细电火花铣削加工专用CAM软件，主要解决电火花铣削加工中分层策略、轨迹规划、电极损耗补偿、加工仿真、NC代码生成等技术难题。
5、针对微细轴的在线制备问题进行系统研究，提供简便、精确的制备方法。
探索微细孔电火花加工的工艺规律，大批量地商用加工典型件（微细轴、孔和微三维结构）。
要求提高了加工质量和加工效率，并降低了电极的相对损耗率。
参考文献
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理工大学,2009.
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